Вдосконалення методу теплового розрахунку дискових гальм автобусів на циклічних випробуваннях

Abstract

Вдосконалений метод математичного моделювання теплових процесів у дискових гальмах для випадку роз’єднання пар тертя. Вимірювальний комплекс гальмівних властивостей автобуса адаптований до умов випробувань І. За результатами дорожніх випробувань автобуса та комп’ютерного моделювання визначені коефіцієнти тепловіддачі за циклічних гальмувань методом розв’язування зворотної задачі теплопровідності. Комп’ютерним моделювання виконані порівняльні дослідження температурних режимів вентильованих та невентильованих дискових гальм автобусів під час циклічних випробувань за різних поєднань впливових чинників. Математичним плануванням експерименту отримані регресійні залежності для теплового розрахунку порівнюваних дискових гальм на випробуваннях І. Результати досліджень показують, що знайдена можливість скоротити обсяги високовартісних натурних експериментів та поповнити нормативну базу для проектування дискових гальм автотранспортних засобів категорії М3. Работа посвящена обоснованию и совершенствованию метода теплового расчета вентилируемых и невентилируемых дисковых тормозов автобусов при циклических режимах работы, которые характерны для городских условий эксплуатации. С этой целью применена трехмерная тепловая модель вентилируемого дискового тормоза, которая базируется на модификации файлов программного комплекса «Фурье-2 Х,У,Z», созданного в Институте проблем моделирования в энергетике НАНУ им. Г.Е. Пухова под руководством А.Г. Тарапона. Такой подход предусматривает моделирование предварительного этапа испытаний І на трех моделях: модели нагрева тормоза в сборе, модели охлаждения тормозных накладок в сборе с колодками и модели охлаждения тормозного диска на всех циклах. Адекватность созданных моделей проверена в процессе дорожных испытаний І автобуса А-172 С. В соответствии с поставленной целью в работе развиты методы математического моделирования тепловых процессов в дисковых тормозах с учетом рассоединения пар трения при циклических испытаниях. Исследовано влияние различных факторов на температурный режим вентилируемых и невентилируемых дисковых тормозов автобусов и получены регрессионные формулы для их теплового расчета. В первом разделе рассмотрен энергетический баланс заторможенного автомобиля. Приведены характеристики режимов работы автобусов в городских условиях, свидетельствующие о значительной энергонагруженности тормозных механизмов, что приводит к их напряженному температурному режиму, оказывающего влияние на снижение эффективности торможения. Рассмотрены конструктивные варианты вентилируемых дисков, используемых в тормозах современных автомобилей, и трибологические характеристики применяемых фрикционных материалов. Во втором разделе проанализированы различные тепловые модели тормозных механизмов. Описана разработанная, с участием автора, методика математического моделирования циклических торможений, когда имеют место переменные начальные и сложные граничные условия в моделях тормозных механизмов во время рассоединения пар трения. Третий раздел посвящен описанию усовершенствованного измерительного комплекса для исследования тормозных свойств автобуса, построенного с использованием модульного принципа. Он состоит из модулей регистрации скорости движения при торможении и охлаждении тормозов на циклах, пройденного пути, давления воздуха, тормозных моментов. Особое место в разделе уделено описанию модуля бесконтактного измерения температуры тормозного диска в условиях циклических испытаний, для чего использован инфракрасный датчик температуры фирмы OMRON типа ESIC, смонтированный на неподвижном суппорте тормоза. Регистрация параметров осуществлялась через USB осциллограф на портативный компьютер. Дорожные испытания проводились с целью уточнения условий теплоотдачи тормозных механизмов. В четвертом разделе изложены результаты сравнительных исследований тормозных механизмов с помощью разработанной методики моделирования и комплексного изучения влияния плотности теплового потока, коэффициентов теплоотдачи и толщины дисков на температурный режим тормозов при циклических испытаниях. Установлено, что в конце предварительного этапа испытаний І температура вентилируемых тормозов на 9-11% ниже, чем у невентилируемых. Увеличение коэффициента теплоотдачи α с 50 до 70 Вт/(м²град.) приводит к снижению температурного режима тормозов в конце испытаний І в пределах 11,4 – 12,8%. Показано, что до 5-го цикла испытаний роль вентилируемых каналов нивелируется меньшей массой вентилируемых дисков при малых температурных напорах, что приводит к большей температуре вентилируемых тормозов, по сравнению с невентилируемыми. После 10-12 циклов наступает квазиустановившаяся температура в вентилируемых дисковых тормозах при всех плотностях теплового потока. Эти тормоза достигают одинакового квазиустановившегося температурного режима на 10-12 циклах, независимо от толщины дисков, а невентилируемые – в конце испытаний при всех толщинах, причем диски толщиной 0,046 м имеют на 2-3% выше температуру, по сравнению с дисками толщиной 0,062 м. Для всех исследуемых плотностей теплового потока и толщин дисков вентилируемые тормоза имеют температуру на 8-11% ниже, нежели невентилируемые, в конце испытаний І. Поэтому вентилируемые дисковые тормоза автобуса А-172С обладают достаточной энергоемкостью при испытаниях І, поскольку не достигают критических температур для металлокерамических накладок. Использование метода математического планирования эксперимента дало возможность получить регрессионные зависимости для теплового расчета вентилируемых и невентилируемых дисковых тормозов при испытаниях І для автобусов (АТС категории М3). Экономическая эффективность применения математического моделирования при исследовании температурных режимов тормозов автобусов на рассматриваемых режимах испытаний составляет 33 тыс. грн. Рекомендации и технические решения, предложенные в работе, приняты и используются в конструкторской практике при проектировании тормозных механизмов в ОАО «Укравтобуспром» (г. Львов) и Холдинговой компании «АвтоКраз» (г. Кременчуг), а также в учебном процессе кафедры «Автомобилестроение» Национального университета «Львовская политехника». Method of scientific modeling of thermal processes in disk brakes under condition of disconnection of tribological situations is improved. Measuring complex of braking properties of busses is adapted to conditions of the trials. The coefficients of heat irradiation under condition of cyclical braking are identified on the base of results of road trails by the solving of reverse heat irradiation problem via computer simulation. The temperature modes of ventilated and non-ventilated disk brakes of busses were studied by computer simulation under conditions of cyclical trials with various combinations of important factors. Employing experimental design method, regression dependencies for thermal computation of comparable disk brakes under conditions of trail 1 were obtained. The results of the researches allow to reduce timing (?) of high-cost full-scale experiments and to supply normative base for design of automotive disk brakes of category M3.